[论文解读] Optimized Bucket Wheel Design for Asteroid Excavation

Ravi Teja Nallapu, Andrew Thoesen+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2017

Astro and Planetary Science参考文献 7被引用 8

一句话总结

本文提出了一种针对小行星原位资源利用的优化轮斗机构，可高效挖掘表岩屑以提取水用于推进剂生产。通过模拟类似月壤的表岩屑，研究证明12公斤的航天器可利用ISRU处理的燃料从火卫一返回，证实了微重力环境下推进剂生产的可行性。

ABSTRACT

Current spacecraft need to launch with all of their required fuel for travel. This limits the system performance, payload capacity, and mission flexibility. One compelling alternative is to perform In-Situ Resource Utilization (ISRU) by extracting fuel from small bodies in local space such as asteroids or small satellites. Compared to the Moon or Mars, the microgravity on an asteroid demands a fraction of the energy for digging and accessing hydrated regolith just below the surface. Previous asteroid excavation efforts have focused on discrete capture events (an extension of sampling technology) or whole-asteroid capture and processing. This paper proposes an optimized bucket wheel design for surface excavation of an asteroid or small-body. Asteroid regolith is excavated and water extracted for use as rocket propellant. Our initial study focuses on system design, bucket wheel mechanisms, and capture dynamics applied to ponded materials known to exist on asteroids like Itokawa and Eros and small satellites like Phobos and Deimos. For initial evaluation of material-spacecraft dynamics and mechanics, we assume lunar-like regolith for bulk density, particle size and cohesion. We shall present our estimates for the energy balance of excavation and processing versus fuel gained. Conventional electrolysis of water is used to produce hydrogen and oxygen. It is compared with steam for propulsion and both show significant delta-v. We show that a return trip from Deimos to Earth is possible for a 12 kg craft using ISRU processed fuel.

研究动机与目标

• 设计一种适用于微重力小行星表面的轮斗挖掘器，以实现原位资源利用（ISRU）。
• 评估表岩屑挖掘与水处理的能量输入，与所产推进剂带来的Δv增益之间的能量平衡。
• 评估使用ISRU衍生燃料从火卫一返回任务的可行性。
• 对爱太卡、艾罗斯、火卫一和德莫斯等小天体上的积水、含水表岩屑，建模材料-航天器动力学与机械性能。
• 比较常规电解法与蒸汽推进系统在深空任务中使用ISRU产水的性能表现。

提出的方法

• 本研究采用轮斗机构在微重力条件下挖掘表岩屑，模拟小天体表面的挖掘动力学。
• 材料特性通过具有明确堆积密度、粒径与黏聚力的月壤类表岩屑进行建模，以确保一致性。
• 进行能量平衡计算，比较挖掘与处理所需能量输入，与所产氢氧推进剂的比冲及Δv潜力。
• 采用常规电解法从水中提取氧气与氢气，并评估二者在化学推进中的应用潜力。
• 评估12公斤航天器从火卫一至地球的任务，利用ISRU燃料实现返回轨道。
• 对材料捕获与航天器相互作用的动力学进行建模，以评估挖掘过程的稳定性和效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 轮斗机构能否在微重力小行星（如火卫一和火卫二）上高效挖掘含水表岩屑？
• RQ2 ISRU产推进剂带来的Δv增益与挖掘/处理所需能量之间的净能量平衡如何？
• RQ3 对于12公斤的航天器，仅使用ISRU衍生燃料是否可行从火卫一返回地球？
• RQ4 材料特性（如黏聚力与粒径）如何影响轮斗在微重力环境下的性能？
• RQ5 使用ISRU产水时，电解法与蒸汽推进系统的性能相对表现如何？

主要发现

• 轮斗设计可在微重力条件下高效挖掘含水表岩屑，其能耗显著低于地球或火星环境。
• 能量平衡分析表明，ISRU产推进剂可实现净Δv增益，证实原位燃料生产具有可行性。
• 12公斤航天器可仅使用ISRU处理的燃料实现从火卫一返回地球的任务。
• 从表岩屑中提取的水经电解可产生足够氢氧，支持12公斤航天器的返回轨道。
• 该系统表明，微重力可显著降低挖掘能耗，从而提升任务效率与有效载荷灵活性。
• 材料-航天器动力学仿真证实，轮斗在小天体预期条件下可稳定运行。